¿Es posible entender la mecánica cuántica? | El Premio Nobel de Física 2022

¿Es posible entender la mecánica cuántica?

Introducción a la mecánica cuántica (MQ) y mecánica clásica (MC)

• El orador plantea la pregunta sobre si es posible entender la mecánica cuántica, sugiriendo que las respuestas comunes son simplistas.

• Se menciona que muchos autores creen haber entendido la MQ y escriben libros al respecto, lo que indica su complejidad.

• La MC es considerada intuitiva por el público en general, mientras que la MQ no lo es debido a limitaciones perceptivas como el tamaño de los átomos.

Comparación entre MC y MQ

• Se discute un experimento mental con una manzana y una pluma cayendo en vacío, ilustrando cómo ambos objetos caen a la misma velocidad, desafiando intuiciones clásicas.

• La gravedad se describe como una curvatura del espacio-tiempo; tanto la pluma como la manzana siguen una geodésica común.

Conceptos de geodésicas y relatividad

• Se explica qué es una geodésica: el camino más corto entre dos puntos en un espacio curvado.

• Se menciona que incluso objetos como la luz siguen estas geodésicas bajo influencia gravitacional.

Ecuaciones de Einstein y agujeros negros

• Las ecuaciones de Einstein son fundamentales para comprender fenómenos universales, incluyendo agujeros negros.

• Aunque se habla mucho sobre agujeros negros, realmente entenderlos requiere deducir y resolver las ecuaciones de Einstein.

Hipótesis atrevidas en física teórica

• Los físicos teóricos proponen ideas audaces, como que nuestro universo podría ser un holograma basado en principios de relatividad general combinados con mecánica cuántica.

Complejidades de la mecánica cuántica

• La naturaleza misma de los conceptos cuánticos es difícil; se mencionan dualidades como ondas y partículas.

• Ejemplos prácticos ilustran cómo las partículas pueden comportarse de maneras inesperadas, como interferencias en experimentos con electrones.

Propiedades extrañas de electrones

• Un electrón puede estar en múltiples estados simultáneamente; su spin puede ser medido hacia arriba o hacia abajo dependiendo del contexto experimental.

¿Qué es la polarización y cómo se relaciona con la mecánica cuántica?

Conceptos de Polarización y Coherencia Cuántica

• Un fotón puede estar polarizado circularmente, lo que significa que su campo eléctrico gira mientras avanza. Esto permite estados coherentes, donde un electrón puede estar simultáneamente en dos posiciones (arriba o abajo) según la mecánica cuántica.

• Mantener un estado coherente es más complicado con sistemas complejos como un gato de Schrödinger, ya que estos tienden a perder su coherencia fácilmente, complicando así la construcción de ordenadores cuánticos.

• Al medir un estado coherente, el resultado será 50% hacia arriba o hacia abajo. Este fenómeno se conocía como el colapso de la función de onda, aunque hoy se entiende como una interacción suave con el entorno.

Implicaciones Filosóficas y Predicciones Cuánticas

• La discusión sobre si un árbol hace ruido al caer en el bosque sin ser observado resalta el papel del observador en la mecánica cuántica. Sin embargo, las predicciones cuánticas han sido comprobadas repetidamente durante más de un siglo.

• A diferencia de la mecánica clásica, donde los estados iniciales permiten predecir resultados futuros con precisión, la mecánica cuántica introduce incertidumbre y ha llevado a teorías sobre universos paralelos.

Universos Paralelos y Bifurcaciones Cuánticas

• Cuando un átomo radiactivo se desintegra, no solo hay una predicción media sobre cuándo ocurrirá; también implica una bifurcación del universo en dos: uno donde se desintegra y otro donde no.

• Se argumenta que estas bifurcaciones son ortogonales porque no hay contacto entre los universos resultantes ni forma de observar esta teoría directamente.

Entrelaçamento Cuántico

• Discutiendo objetos entrelazados, se menciona que pueden tener múltiples posibilidades (como cara o cruz). Por ejemplo, electrones o fotones pueden estar correlacionados en sus estados.

• En experimentos prácticos, cuando dos fotones están entrelazados (uno apuntando hacia arriba y otro hacia abajo), medir uno instantáneamente determina el estado del otro debido a su correlación cuántica.

Experimento Clave sobre Fotones Entrelazados

• Se describe un experimento realizado por Aspect y colaboradores utilizando átomos de calcio iluminados por láseres para crear estados excitados que emiten fotones entrelazados enviados a diferentes direcciones (Andrómeda y "quinto pino").

• Los fotones emitidos tienen polarizaciones indeterminadas hasta ser medidos. Si uno es medido como polarizado hacia arriba en una ubicación, el otro también será medido así instantáneamente en otra ubicación lejana.

¿Cómo la mecánica cuántica desafía el realismo local?

Introducción a John Bell y su propuesta

• John Bell, un físico del CERN, propuso medir dos fotones para entender sus propiedades ocultas.

• Utiliza polarizadores lineales para determinar la polarización de los fotones en diferentes ángulos, denominados Alfa y Beta.

Resultados de las mediciones

• Bell demostró que al medir múltiples veces, la probabilidad acumulada de coincidencias debería ser menor que 2 según el realismo local.

• Sin embargo, la mecánica cuántica predice resultados que pueden superar este límite (hasta 2√2), lo cual es contradictorio con el realismo local.

Experimento y variables ocultas

• Se plantea un experimento donde Alice y Bob miden polarizaciones desde ubicaciones distantes; sus resultados se combinan para analizar coincidencias.

• Según el realismo local, los resultados deberían estar entre +2 y -2. La mecánica cuántica contradice esto al permitir valores fuera de ese rango.

Implicaciones del experimento

• Los experimentos realizados por Aspect y otros muestran que los datos excluyen claramente el realismo local.

• Esto implica que las teorías de variables ocultas son incorrectas; Bell podría haber encontrado humor en estos hallazgos.

Conclusiones sobre la naturaleza del universo

• El resultado indica que los fotones están interconectados a pesar de grandes distancias, sugiriendo una realidad no local.

• Este fenómeno desafía las nociones tradicionales sobre cómo interactúan los objetos en el universo.

Teorías alternativas: agujeros de gusano

• Se sugiere que puntos lejanos como Andrómeda y "el quinto pino" podrían estar conectados por agujeros de gusano, una idea originada por Einstein y Rosen.

• Esta teoría propone que el universo puede tener conexiones inesperadas entre puntos distantes a través de estructuras no visibles.

Reflexiones finales sobre la realidad

• La mecánica cuántica podría ser compatible con la relatividad general; ambas teorías podrían describir aspectos diferentes de una misma realidad.